张丽 北京航空材料研究院

 

    研究背景

 

    涡轮盘是航空发动机的关键部件。由于其在发动机中的位置及其力学旋转特性，涡轮盘承受着高应力和环境热应力作用，工作条件极为苛刻。涡轮盘结构上存在高应力集中的情况，比如安装孔、轮缘与叶片连接榫槽等部位，这些部位易萌生裂纹并导致破坏。涡轮盘一旦破裂，其后果往往是灾难性的。因为涡轮盘碎片可能打穿发动机机匣，切断油路或操作系统，穿透油箱与座舱，对乘员和飞机造成严重威胁。据统计，涡轮盘的破裂大多数是属于这种非包容性的破坏。用于航空发动机涡轮盘服役寿命的设计方法必须确保这种事故发生的可能性极小。

 

    涡轮盘材料由于可能存在内部缺陷（如孔洞和夹杂），也可能由于加工和装配造成表面损伤，所以涡轮盘结构实际上是一个含裂纹体。在使用过程中，由于疲劳载荷、热载荷、腐蚀环境等原因，导致裂纹扩展，如果漏检，就会造成服役中涡轮盘破坏。裂纹从初始缺陷的尺寸扩展到造成破坏的临界尺寸是一个发展过程，只要能够控制扩展过程，也能够保证结构的安全。理论和试验表明，许多含裂纹构件仍能在服役载荷下继续工作到下一次检修。

 

    GH4169合金（Inconel 718）是一种铁-镍-铬基的变形高温合金，它具有良好的高温强度、抗氧化性能，良好的持久性能、塑性、抗疲劳性能和抗裂纹扩展能力，是当前航空发动机使用最多的一种金属材料，主要用于涡轮盘等关键部件。国外对高温合金小裂纹行为的研究较为深入全面。国内在此方面的研究报道主要集中在真空环境下小尺寸试样（通常原位疲劳试样的工作段长度不超过25 mm，宽度不超过3 mm） 的裂纹扩展行为。环境对小裂纹扩展行为的影响非常大，尤其是在高温或腐蚀条件下。高温合金在非真空环境下的小裂纹行为，材料缺陷对疲劳小裂纹起始和扩展行为影响等研究急需展开。从国内外对该合金小裂纹行为的研究现状可知，从夹杂起始的疲劳小裂纹在循环载荷作用下最终导致疲劳破坏的情况是存在的。因此关注GH4169合金构件处的疲劳小裂纹行为，对航空发动机结构的损伤容限设计具有重要意义。